In-vivo study on the stability of the use of gas absorption spectroscopy as a technology for assessing sinus cavity size and oxygen gas concentration

Abstract

Sinusitis is a common disease caused by a virus or bacteria, with 84% to 91% of cases caused by a viral pathogen. However, physicians prescribe antibiotics for this disease in 85% of all cases. GPX Medical is a company working on the development of a medical device which, by means of absorption spectroscopy, can determine whether the disease is caused by virus or bacteria supporting, thus, the doctors in decision making. The main purpose of this study is to evaluate the stability of the measurements performed by this medical device, by analyzing the maxillary sinuses size and O2 concentration in different subjects under a longer period. The first step consisted in performing a pilot study to determine the measurement geometries, number of samples and the updating time for the laser by analyzing a 3-D model of the sinuses and the strength of the signal. This was followed by a preclinical study where measurements on sinuses size and O2 concentration of five healthy volunteers were performed over a period of one-day, one-week and one-month to analyze the intra- and intersubject variability, and determine the best measurement geometry. This pilot study revealed an optimal number of samples of 30 and an optimal updating time for the laser of 2s. From the preclinical study it resulted that the best measurement position is the palate-cheekbone geometry (position 1), which was determined by analyzing the signal strength. The results of the preclinical study show a certain stability of the measurements with low intrasubject variability in most cases, accompanied by differences between the right and the left side, and a higher intersubject variability. However, for better results a newer fiber should be used in the measurements for position 1 and 2.

Popular Abstract (Swedish)

Stabilitetsmätningar på bihålans storlek och O2-koncentration med hjälp av gasabsorptionsspektroskopi.

Mätningar på bihålor med gasabsorptionsspektroskopi är stabila i tiden. Skillnader mellan den högra och vänstra sidan samt skillnader mellan individer har noterats.

Bihåleinflammation är en vanlig sjukdom som i 85% av fallen orsakas av virus och i resterande fall av bakterier. Trots detta, förskrivs antibiotika i 84 - 91% av fallen utan säkerhet om sjukdomen orsakas av bakterier eller virus. Detta leder till onödig ökning av dödsfall i framtiden som kan hänföras till antimikrobiell resistens. Befintliga metoder som kan användas för att avgöra om sjukdomen orsakats av virus eller bakterier är kostsamma och inte lätt tillgängliga. Därför, finns det ett stort behov hitta en metod som kostnadseffektivt kan skilja på de två sjukdomsorsakerna, en metod som är också lättillgängliga och enkel att använda. GPX Medical är ett företag som utvecklar en medicinskteknisk apparat som med hjälp av gasabsorptionsspektroskopi kan avgöra om bihåleinflammationen orsakas av virus eller bakterier. Gasabsorptionsspektroskopi är en teknologi som använder interaktionen mellan ljus och gasmolekyler för att avgöra koncentrationen av en viss komponent i en gasström. Företagets hypotes är att om bihåleinflammationen orsakades av syrekonsumerande bakterier borde instrumentet mäta mindre mängd av syre i bihålorna. En fas av utrustningens utveckling består av att analysera instrumentens stabilitet i tiden för att senare kunna optimera det. Det är just denna fas det här examensarbetet handlar om. Målet med detta jobb var att utföra en preklinisk studie där man gör stabilitetsmätningar på friska frivilligas bihålor, under en period av en dag, en vecka och en månad, samt ta fram ett kliniskt protokoll för vetenskapliga studier.

Studien på bihålor, gjordes på fem friska och frivilliga kandidater. Bihålornas storlek varierar mellan 16 - 50 mm med ett standardfel som sträcker sig i intervallet 0.8 - 9.7 mm, där de flesta av standardfel värdena är under 4 mm. Syrekoncentration i bihålor, varierar mellan 14% och 21% med ett standardfel som ligger inom intervallet 0.7 - 4.7%. I de flesta fall var skillnaden i storlek mellan högra och vänstra sidan högst 4 mm men i vissa fall var skillnaden över 10 mm. Skillnader i syrekoncentration var oftast obetydliga. Värdena som beskrivs här gäller mätningarna utförda på position 1, som är den positionen med starkast signal, och gäller alla mätningar på alla individer.

Även om en viss stabilitet påvisades, för mer tillförlitliga resultat, borde mätningarna göras om med en annan fiber eftersom det upptäcktes senare i studien att fibern som användes först var förstörd och gav högre variation än den som användes de två sista dagarna av mätningarna.

Det här projektet började med en pilot-studie där man behövde bestämma mätningsgeometrier och längden på mätningar. Mätningsgeometrier bestämdes genom att analysera signalens styrka och en 3D-modell av bihålan. I den här första fasen, tre mätgeometrier valdes ut, två med fibern som ligger inuti munnen och detektorn under ögat och en med fiber under mitten av ögat och detektorn under kindben. Dessutom kom det även fram att den optimala längden av varje mätning skulle vara en minut med 30 sampel. Den här fasen följdes av en preklinisk studie där fem friska frivilligas bihålor mättes under en period av en dag, en vecka och en månad. Varje bihåla mättes med de tre mätningsgeometrierna som togs fram i pilotstudien för att sen avgöra bästa positionen för framtida mätningar, den positionen med starkast signal analyserades.

• author: Mekamy, Sara
• supervisor: Tomas Jansson
• organization: Department of Biomedical Engineering
• course: BMEM01 20201
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: GASMAS, Sinuses, Stability measurements
• language: English
• id: 9009017
• date added to LUP: 2020-05-28 14:45:14
• date last changed: 2020-05-28 14:45:14